¿Por qué vuelan los aviones?

A veces, cuando los vemos volar en el cielo, de lo chiquitos que se ven, perdemos la perspectiva de que son aparatos considerablemente grandes los que el ser humano ha logrado hacer volar.

¿Quién hizo la pintoresca expedición al Juan Santamaría, no para salir de viaje, si no para pararse, pegado a la malla, a ver despegar aviones? Con comida incluida, frutas si la visita era con la mamá, bolsa de chicharritos si la cosa era más bien con los amigos. Ahí, ingiriendo calorías (provechosas o vacías)  se pueden ver de cerca distintos aviones y seguir la secuencia de su despegue. Oyendo el barullo de los motores por un pequeño momento uno se preocupa por si la maniobra va salir bien y… ¡se despega del suelo y vuela! Si el público detrás de la malla es animado hay aplausos, y bueno, ya con el alivio de ver el avión alejarse, los que no podemos dejar de cuestionar las cosas de la vida nos preguntamos ¿Cómo es que ese semejante aparato puede volar?

De pronto y la respuesta parece obvia, para eso el avión tiene los motores, para hacerlo volar ¿no?

Un avión común, con pasajeros, equipajes y combustible pesa casi 400 toneladas (¡cuatrocientos mil kilogramos!), no sería real pensar que un motor pudiera levantar del suelo semejante peso y mantenerlo en vuelo de manera confiable.

Hay una fuerza que resulta fundamental para lograr el vuelo de los aviones y proviene algo a lo que estamos tan acostumbrados que hasta nos olvidamos que existe, el aire en movimiento, es decir, el viento.

Cuando el avión se mueve a través de la atmósfera el viento se “desliza” sobre su superficie tanto por la parte inferior como la superior. Este movimiento del viento puede aprovechado para hacer volar el avión pero para esto es fundamental su forma. Es decir nunca veremos volando un avión cúbico, se necesitan cierto tipo de formas de más aerodinámicas.

En un avión las alas no están completamente horizontales, si no que tiene un pequeño ángulo de inclinación al que se llama ángulo de ataque. En la figura 1  se ve un corte del ala del avión, las líneas negras con flechas representan el camino que hace el viento al encontrarse con el ala. Debido al ángulo de ataque el viento que llega a la parte de abajo del ala se ve frenado en cambio el viento que pasa por arriba puede pasar rápidamente.

Figura 1. Corte transversal del ala de un avión. Las líneas negras representan la trayectoria del viento al pasar por el contorno de las alas. El que pasa por la parte inferior se ve frenado respecto al que pasa por la parte de arriba.

Desde el punto de vista de la física el viento es un fluido en movimiento que se estudia en un área que llamamos mecánica de fluidos. Uno de sus principios básicos es que a mayor velocidad del fluido menor es la presión que este ejerce, se desprende de la Ecuación de Bernoulli .

La presión es proporcional a la fuerza que ejerce el fluido sobre la superficie, así en la parte superior del ala, donde el viento pasa muy rápido, la presión es pequeña y por lo tanto la fuerza del flujo de aire sobre esta superficie también lo es. Si analizamos lo que sucede en la parte de abajo del ala tenemos la situación contraria, el viento al toparse con la superficie inferior se frena y pasa más lento que el de arriba, así la presión es grande por lo que la fuerza que se genera sobre la parte inferior del ala es grande también.

Así, la fuerza ejercida por el viento hacia arriba es mayor que la que se ejerce hacia abajo,  entonces la suma de ambas me deja una fuerza resultante hacia arriba a la que se le conoce como fuerza de sustentación. Esta es la fuerza que permite a algo tan grande como un avión volar. Lo que deben asegurar los motores es llevarlo hacia delante de manera tal que el viento pase por alas del avión.

Este mismo efecto derivado del Principio de Bernoulli nos permite explicar también porque en un día de lluvia con tormenta el paraguas termina vuelto al revés. Su forma de copa invertida hace el viento pase muy rápido en la parte de arriba y que, en cambio, por debajo casi no circule. La presión será mucha más alta dentro que fuera y terminará por empujar el paraguas hasta que cedan sus varillas.

En automóviles que circulan con mucha velocidad el efecto es el mismo ya que el aire que pasa por arriba del carro va mucho más rápido que el que pasa por debajo. En este caso la fuerza de sustentación es un efecto indeseable pues hace que las llantas no tengan buen contacto con la calle y se pierda la estabilidad del carro. Esto se arregla colocando un alerón (spoiler como se les conoce normalmente) que se ve igual que el ala del avión pero se pone con la inclinación opuesta de manera que la fuerza neta apunte hacia abajo y dé más tracción al carro.